Удельные энергозатраты электро-контактно-химической обработки металлов вибрирующим инструментом в электролите
- Авторы: Шестаков И.Я.1, Шестаков В.И.1, Трифанов И.В.1, Ремизов И.А.2
-
Учреждения:
- Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева
- Сибирский федеральный университет
- Выпуск: Том 24, № 4 (2023)
- Страницы: 760-767
- Раздел: Раздел 3. Технологические процессы и материалы
- URL: https://journals.eco-vector.com/2712-8970/article/view/625657
- DOI: https://doi.org/10.31772/2712-8970-2023-24-4-760-767
- ID: 625657
Цитировать
Аннотация
По удельному расходу энергии процессы формообразования располагаются в трёх энергетических уровнях. Электрофизические и электрохимические методы обработки металлов находятся на третьем уровне, где удельные энергозатраты составляют более 6×104 Дж/см3. Анализ литературных данных показал противоречивость удельных затрат некоторых авторов. Удельные энергозатраты электроконтактной обработки (ЭКО) никак не могут быть соизмеримы с затратами при электрохимической обработке (ЭХО) из-за разных размеров удаляемых частиц с поверхности обрабатываемой детали. Литературные данные по удельным энергозатратам электро-контактно-химической обработки металлов вибрирующим инструментом в электролите отсутствуют, поэтому проведены эксперименты с фиксацией осциллограмм тока, напряжения и межэлектродного зазора. Приведена методика расчёта удельных энергозатрат по осциллограммам процесса. Рассчитаны затраты энергии на вибрацию электрода-инструмента, которые на порядок меньше на электро-контактно-химическую обработку. При уменьшении амплитуды вибрации или увеличении напряжения на электродах процесс в межэлектродном зазоре переходит в размерную обработку дугой. При электро-контактно-химической обработке металлов вибрирующим инструментом в воде удельные энергозатраты равны (3,5–3,8)·105 Дж/см3, что соответствует электроконтактной обработке. Предполагается, что использование водных растворов нейтральных солей приведёт к снижению затрат энергии.
Ключевые слова
Полный текст
Введение
Удельный расход энергии – один из важных показателей, влияющих на экономичность процесса формообразования. Удельный расход энергии определяют в кВт·час/кг, Дж/см3. В [1; 2] рекомендуют при выявлении закономерностей поведения металлов при различных физических процессах свойства металлов определять на единицу объема.
По этому признаку все процессы формообразования располагаются в трех энергетических уровнях. Первый уровень включает процессы, при осуществлении которых необходим минимум энергии для нарушения сил связи только между частью атомов или молекул тела. Этот уровень простирается до энергии плавления металлов (табл. 1), т. е. примерно до 104 Дж/см3 [3].
Второй уровень включает процессы, требующие затрат энергии для нарушения связей между всеми атомами и молекулами тела. Для этого условия характерным процессом является литьё. Непонятно, почему развёртывание и шлифование расположены в этом уровне, ведь там не происходит нарушение связей между всеми атомами и молекулами. Удаление металла происходит в виде стружки [4]. Второй энергетический уровень расположен между энергией плавления 104 Дж/см3 и энергией испарения металлов 6×104 Дж/см3.
Таблица 1 . Энергетические уровни процессов формообразования
Энергетический уровень | Способ формообразования | Удельный расход энергии, Дж/см3 |
I | Холодное деформирование | 1×101-4×101 |
Штамповка | 2×101-6,5×101 | |
Холодное выдавливание | 5,5×102-8,5×102 | |
Точение | 1,7×103-2,5×103 | |
Протягивание | 2,5×103-3,7×103 | |
Фрезерование | 5×103-7,5×103 | |
II | Горячее деформирование | 9×103-3,4×104 |
Литье | 1,4×104-2,5×104 | |
Развертывание | 1,2×104-3×104 | |
Шлифование | 5,5×104-7×104 |
Окончание табл. 1
Энергетический уровень | Способ формообразования | Удельный расход энергии, Дж/см3 |
III | Размерная ЭХО | 4,25×105-4,35×105 |
Обработка: |
| |
анодно-механическая | 1,7×105-5,2×105 | |
электроконтактная | 2,3×105-4,6×105 | |
электроимпульсная | 3,5×105-7,1×105 | |
электроискровая | 1,1×106-2,9×106 | |
ультразвуковая | 6×105-3,6×106 | |
светолучевая | 2,8×107-4,7×107 |
В третьем энергетическом уровне расположены процессы, при осуществлении которых необходима энергия для полного разрушения сил связи между всеми атомами или молекулами тела. Характерными для этого уровня являются электрохимическая размерная обработка (ЭХРО), электроискровая и электроимпульсная обработки, обработка электронным и световым лучами. Этот уровень расположен выше энергии испарения металлов, т. е. выше 6×104 Дж/см3.
С ростом твердости и прочности материалов растут затраты энергии (рис. 1) [4], снижается производительность обработки. Современные металлы и сплавы имеют предел прочности более 200 МПа, поэтому вполне оправданы высокие энергозатраты электрообработки, так как другие способы формообразования становятся неконкурентоспособными по производительности.
Рис. 1. Энергоёмкость некоторых видов обработки: 1 - обработка лезвийным инструментом; 2 - шлифование; 3 - электроимпульсная; 4 – ЭХО
Fig. 1. Energy intensity of some types of processing: 1 – blade tool processing; 2 – grinding; 3 – electric pulse; 4 – EKHO
Анализ
Данные, приведенные в работах [4–6] и табл. 1–3, не согласуются со значениями удельного расхода энергии при электрохимической обработке, представленными авторами [7; 8] (табл. 4). По мнению этих авторов, затраты при электрохимической обработке в 9-40 раз больше, чем при электроконтактной обработке. Из табл. 1 и 2 видно, что удельные расходы энергии электроконтактной и электрохимической обработок соизмеримы, что не соответствует действительности, так как удаление металла с обрабатываемой поверхности происходит разными размерами частиц: в первом случае – в виде капель расплавленного металла, во втором – в виде ионов металлов.
Подробные показатели разновидностей электрофизических способов обработки приведены в справочнике [6], табл. 3.
Таблица 2. Удельный расход энергии электрических методов обработки
№ п/п | Вид обработки | Удельный расход энергии, Дж/см3*105 |
1 | Электроискровая | 11–29 |
2 | Электроимпульсная | 3,5–7,1 |
3 | Электрохимическая | 4–6 |
4 | Электроконтактная | 2,3–4,6 |
Таблица 3. Основные показатели электрофизических способов обработки металлов
Вид обработки | Средняя удельная производительность, см3/с | Средний удельный расход энергии, Дж/см3 |
Электроискровая: черновая чистовая прецизионная |
9,3 ·10–3–1 · 10–2 8 ·10–4–1,6 · 10–3 1,7 ·10–6–1,7 · 10–5 |
(4,3–7,2) · 105 (1,4–2,0) · 106 (2,0–2,5) · 106 |
Электроимпульсная: черновая чистовая |
1,7 ·10–2–1,8 · 10–1 8 ·10–4–8 · 10–3 |
(3,5–7,1) · 105 (2,6–5,8) · 105 |
Электроконтактная: разрезание точение обдирка прошивание |
1,6 ·10–2–1,3 · 10–1 1,6 ·10–2–6,5 · 10–1 15–17 8,3 ·10–3–2,5 · 10–2 |
(0,3–1,2) · 105 (1,2–1,4) · 105 (2,3–4,6) · 105 (0,12–5,8) · 104 |
В табл. 3 вызывают сомнение удельные расходы энергии при электроконтактном прошивании отверстий, которые на порядок меньше, чем остальные виды этой обработки. При электроконтактном прошивании удаление продуктов эрозии из отверстий затруднено, поэтому требуются дополнительные траты энергии.
Таблица 4. Удельный расход энергии некоторых электрических методов обработки
№ п/п | Обработка | Удельный расход энергии, Дж/см3*105 |
1 | Электрохимическая | |
2 | Электроэрозионная | 1,68–3,36 |
3 | Электроконтактная | 0,28–0,56 |
Более полные данные по удельным энергозатратам электрохимической обработки в кВт*час/кг имеются в справочнике [9]. С учётом плотности металлов произведён расчёт энергозатрат на единицу объёма обрабатываемого материала. В табл. 5 приведены результаты расчётов удельных энергозатрат для некоторых металлов.
Таблица 5. Удельные энергозатраты электрохимической размерной обработки металлов в водных растворах нейтральных солей, Дж/см3 105
Металл | 25%NaCl | 30%NaNO3 | 15%Na2SO4 |
Сталь У10 | 1,96 | 6,44 | 70,84 |
Сталь 35ХГС | 3,28 | 3,84 | 28,03 |
Сталь 4Х5В2ФС | 3,12 | 4,37 | 34 |
Алюминий | 1,55 | 1,94 | 65,5 |
Никель | 2,14 | 22,3 | 39,2 |
Титановый сплав ВТ8 | 3,49 | 5,33 | 258 |
Из табл. 5 следует, что наименьшие удельные энергозатраты характерны для электрохимической обработки в водном растворе хлорида натрия. Это объясняется наличием в электролите активирующего аниона хлора, который способствует образованию промежуточных комплексных соединений [10]. При электрохимической обработке в водном растворе сульфата натрия удельные энергозатраты увеличиваются в 10–15 раз, что объясняется пассивацией анода [11]. Это явление особенно характерно при обработке титанового сплава ВТ8, так как титан активный металл, его стандартный электродный потенциал равен –1,2 В [12] и на его поверхности всегда присутствует окисная плёнка.
Методика
Экспериментальные исследования проводились на установке электрообработки с линейным электродинамическим двигателем, описанной в сборнике научных трудов [13]. Для крепления электрода-инструмента было изготовлено приспособление, обеспечивающее проток воды (слабый электролит) через межэлектродный зазор. Методика экспериментальных исследований изложена в работе [14]. Обрабатываемый металл-сталь ХВГ. Однако в этой статье не приведена методика расчёта удельных энергозатрат электро-контактно-химической обработки металлов в электролите по осциллограммам процесса.
Рис. 2. Осциллограмма напряжения и тока ЭКХО
Fig. 2. Oscillogram of the voltage and current of the ECHO
Расчет удельного расхода энергии по осциллограмме. Типичная осциллограмма тока, напряжения и межэлектродного зазора при электро-контактно-химической обработке вибрирующим электродом-инструментом в воде приведена на рис. 9. Данные получены при среднем напряжениина электродах 16,7 В, амплитуде колебаний инструмента 0,75 мм. При амплитуде колебаний 0,25 мм и средней скорости потока воды в межэлектродном зазоре 1 м/с и менее наблюдается осциллограмма тока и напряжения, характерная для размерной обработки дугой [15; 16].
Осциллограмма разбивается на участки I, II, III, IV. Участок I – это предпробойный период – время образования стримера – канала разряда. Участок II – пробой межэлектродного промежутка, III – контакт электродов, IV – период, когда ток обусловлен анодным растворением обрабатываемого металла (электрохимическая обработка). Определяется площадь каждого треугольника, тем самым будет известно количество электричества, прошедшее в каждый период (участки I – IV). Далее по осциллограмме определяется среднее значение напряжения на каждом участке.
Для участка I имеем
,
где – высота треугольника участка I; – длина основания треугольника участка I; – масштаб тока, = 2,5А/мм; – масштаб времени, = 0,48 мс/мм.
После расчета количества электричества для всех участков получаем:
Кл; Кл;
Кл; Кл.
Среднее напряжение на участках:
В; В; В; В.
Энергия импульса на участках:
Дж; Дж; Дж; Дж.
С учётом частоты колебаний электрода-инструмента (50 Гц), времени обработки и объёма удалённого металла удельные энергозатраты определяются
W = [(Q1 + Q2 + Q3 + Q4) * f * t] / V,
где f – частота колебаний, с–1; t – время обработки, с; V – объём удалённого металла, см3.
Удельный расход энергии составляет W = (3,5–3,8)·105Дж/см3.
Кроме затрат электрической энергии, расходуемой на процесс электрообработки, необходимо учитывать затраты энергии на вибрацию электрода-инструмента. Эта энергия определяется по известной формуле:
Wв = m * f 2 * A2,
где m – масса электрода-инструмента с приспособлением для его закрепления, кг; A – амплитуда вибрации электрода-инструмента, м. После подстановки данных в вышеприведённую формулу получается, что энергозатраты на вибрацию электрода-инструмента на порядок меньше, чем на процессы электро-контактно-химической обработки.
Заключение
При выборе метода обработки металлов и сплавов важным показателем являются удельные энергозатраты. Для материалов, труднообрабатываемых механическими способами, альтернативой являются методы электрообработки. Анализ литературных данных показал, что показатели по удельным энергозатратам противоречивые, а для комбинированного электро-контактно-химического способа обработки вибрирующим электродом в воде эта характеристика практически отсутствует. Расчёт по осциллограммам процесса показывает, что удельные энергозатраты электро-контактно-химической обработки вибрирующим электродом в воде соответствуют электроэрозионной обработке и электрохимической обработке в водном растворе хлорида натрия или нитрата натрия. При электро-контактно-химической обработке в водном растворе вышеуказанных солей следует ожидать снижение удельных энергозатрат, так как уменьшаются потери энергии на нагрев электролита в связи с уменьшением его электрического сопротивления, а ионы хлора и нитрата снижают энергию активации обрабатываемого металла.
Об авторах
Иван Яковлевич Шестаков
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева
Автор, ответственный за переписку.
Email: yakovlevish@mail.ru
доктор технических наук, доцент, профессор кафедры электронной техники и телекоммуникаций
Россия, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский Рабочий», 31Владислав Иванович Шестаков
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева
Email: pn3vm4t@gmail.com
аспирант кафедры технического регулирования и метрологии
Россия, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский Рабочий», 31Иван Васильевич Трифанов
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева
Email: sibgau-uks@mail.ru
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технического регулирования и метрологии
Россия, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский Рабочий», 31Игорь Анатольевич Ремизов
Сибирский федеральный университет
Email: 2remizov@mail.ru
кандидат физико-математических наук, доцент кафедры технической механики
Россия, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79Список литературы
- Верхотуров А. Д., Шпилёв A. M., Евстигнеев А. И. Основы материалогии : монография. Т. 1. Владивосток : Дальнаука, 2012. 270 с.
- Николенко С. В., Верхотуров А. Д. Новые электродные материалы для электроискрового легирования. Владивосток : Дальнаука, 2005. 219 с.
- Смоленцев Е. В. Проектирование электрических и комбинированных методов обработки. М. : Машиностроение, 2005. 511 с.
- Зубарев Ю., Приемышев А. Теория и практика повышения эффективности шлифования материалов. М. : Лань, 2010. 304 с.
- Физико-химические методы в производстве газотурбинных двигателей / Ю. С. Елисеев, В. В. Крылов, Б. П. Саушкин и др. ; под ред. Саушкина Б. П. М. : Форум, 2013. 456 с.
- Справочник технолога-машиностроителя. В 2 т. Т. 2 / под ред. А. М. Дальского, А. Г. Суслова, А. Г. Косиловой, Р. К. Мещерякова. 5-е изд., испр. М. : Машиностроение, 2003. 944 с.
- Теоретическое обоснование рациональных параметров режима электроконтактной обработки проволочным инструментом / М. Г. Киселев, А. В. Дроздов, А. В. Москаленко, П. С. Богдан // Вестник Гомельского гос. техн. ун-та им. П. О. Сухого. 2012. № 3. С. 3–11.
- Орлов В. Ф., Чугунов Б. И. Электрохимическое формообразование. М. : Машиностроение, 1990. 240 с.
- Справочник по электрофизическим и электрохимическим методам обработки / Г. Л. Амитан и др. ; под общ. ред. В. А. Волосатого Л. : Машиностроение, 1988. 719 с.
- Житников В. П., Зайцев А. Н. Импульсная электрохимическая размерная обработка. М. : Машиностроение, 2008. 413 с.
- Саушкин Б. П., Сычков Г. А., Атанасянц А. Г. Современное состояние и перспективы развития электрохимической размерной обработки // Металлобработка. 2002. № 6. С. 9–17.
- Справочник по электрохимии / под ред. А. М. Сухотина. Л. : Химия, 1981. 488 с.
- Совершенствование системы управления установки электрообработки металлов на базе линейного электродинамического двигателя / И. Я. Шестаков, В. И. Шестаков, А. А. Фадеев, Н. А. Швалева // Сибирский аэрокосмический журнал. 2021. Т. 22, № 3. С. 543–549.
- Шестаков И. Я., Стрюк А. И., Цуканов А. В. Импульсная электро-обработка вибрирующим электродом-инструментом // Вестник СибГАУ. 2004. Вып. 5. С. 253–258.
- Носуленко В. И. Размерная обработка металлов электрической дугой // Электронная обработка материалов. 2006. № 1. С. 1–10.
- Саушкин Б. П. Электрический разряд в жидких и газовых средах основа нового поколения методов и технологий машиностроительного производства // Электронная обработка материалов. 2004. № 1. С. 1–14.